灵长类动物CYP2D亚家族基因的进化研究

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细胞色素P450(CYP)酶是一个含血红素的单加氧酶超家族,能够催化外源性物质和内源性物质的氧化。CYPs在哺乳动物中的研究比较充分,尤其是在人类(Homo sapiens)中。研究发现,CYPs中有12个功能CYP基因与70~80%常用药物的代谢密切相关,CYP2D6是其中一个功能基因,它是CYP2D亚家族基因的一员。目前,对CYP2D亚家族基因的研究主要集中在灵长类动物中。灵长目(Primates)为哺乳纲(Mammalia)下的一个目,主要分布在亚洲、非洲和美洲温暖地带。灵长类动物的栖息地受动物自身的特性、生境、觅食难度和捕食风险等多种因素制约,其中觅食难度是较为重要的因素。觅食难度对动物选择栖息地的影响较大,不同的栖息地所拥有的食物资源不同,导致灵长类动物的食物组成有差异,从而使它们的食性存在差异。在进化的过程中,植物为了避免被动物取食,可以通过产生具有一定气味或毒性的次生代谢产物(Secondary metabolites)来进行化学防御;而在生存压力下,动物会针对植物的防御机制采取相应措施,例如人类CYP2D6酶可以对生物碱进行解毒。
  本文对5种灵长类动物的CYP2D亚家族基因进行扩增,它们分别是白头叶猴(Trachypithecus leucocephalus)、黑叶猴(Trachypithecus francoisi)、白臀叶猴(Pygathrix nemaeus)、猕猴(Macaca mulatta)和熊猴(Macaca assamensis)。与此同时,运用生物信息学方法获得了35种灵长类动物(包括白臀叶猴、黑叶猴和猕猴)的CYP2D亚家族基因。利用EditPlus3、Clustalx、Paml4.7、Mega6.0和BioEdit等软件,对获得的完整CYP2D亚家族基因的碱基组成、序列长度、同源性、系统发育和选择压力等进行分析,研究结果表明:
  (1)5种灵长类动物的CYP2D总基因数目一致,但完整基因数和假基因数不完全一致;完整基因的序列长度比较稳定,都是1494bp。
  (2)结合实验得到的和通过查找得到的CYP2D亚家族基因,在37种灵长类动物中总共获得84个CYP2D亚家族基因,其中完整基因41个,部分基因14个,假基因29个。
  (3)从总体上看,不同物种同一基因的碱基组成比例相差不大,同一物种不同基因的碱基组成比例相差也不大。总的来说,完整CYP2D亚家族基因的碱基(腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T))组成都是C的含量最多,A的含量最少,C+G的含量远远大于A+T的含量。
  (4)同源性比对发现,灵长类CYP2D6和CYP2D8基因核苷酸相似度最高的都是白头叶猴和黑叶猴(白头叶猴和黑叶猴CYP2D6相似度为99.53%,而两者CYP2D8的相似度为100%);CYP2D8基因氨基酸相似度最高的是白头叶猴和黑叶猴(100%);CYP2D6基因氨基酸相似度最高的是狮尾狒狒(Theropithecus gelada)和东非狒狒(Papio anubis),为99.60%。
  (5)由CYP2D6、CYP2D8和所有完整CYP2D亚家族基因分别构建的基因树与物种树大体一致,属内种间存在差异。
  (6)使用系统发育独立对照分析的方法对食性与CYP2D的完整基因数或总基因数进行分析,发现食性与CYP2D的完整基因数或总基因数都不相关。
  (7)不同食性的灵长类动物CYP2D的完整基因数均值没有显著差异(p=0.21),而不同食性的灵长类动物CYP2D的总基因数均值具有显著差异(p=0.00),意味着在灵长类动物中肉食性动物、杂食性动物和植食性动物的CYP2D总基因数均值差异具有统计学意义。
  (8)CYP2D6、CYP2D8和所有完整CYP2D亚家族基因在整体上均呈纯化选择。在位点模型中,CYP2D6和所有完整CYP2D亚家族基因的M2a和M8模型均优于M1a、M7和M8a模型,在M2a和M8模型中均有正选择位点。在CYP2D8中,M8模型优于M7和M8a模型,且存在正选择位点,但是在M2a中没有正选择位点。
  (9)在整体上,植食性动物、肉食性动物和杂食性动物的完整CYP2D亚家族基因均呈纯化选择,与M0(ω=1)模型比较有显著差异(p值分别为6.40E-83、1.15E-71和3.81E-41)。在位点模型中,植食性动物和杂食性动物的完整CYP2D亚家族基因在M2a和M8模型中都有正选择位点,且M8模型的正选择位点数比M2a的多。肉食性动物的完整CYP2D亚家族基因在M2a和M8模型中都没有正选择位点。
  (10)CYP2D6、CYP2D8和所有完整CYP2D亚家族基因(包括CYP2D6、CYP2D8和其它完整CYP2D亚家族基因)的外显子都呈纯化选择,与M0(ω=1)模型比较有显著差异(CYP2D8的exon5除外)。
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